ESPACIO, TIEMPO Y MATERIA: Introduccin a la fsica de partculas y la cosmologa

Eusebio SnchezDivisin de astrofsica de partculasCIEMATSemana de la ciencia 2009

CONTENIDO

Introduccin: Escalas y dimensiones

El viaje interior: La fsica de partculas

Viaje al espacio exterior: La cosmologa

Lo desconocido: El universo oscuro

El futuro

Final

El objetivo final de la fsica de partculas es entender y explicar los constituyentes

elementales de la materia y sus interacciones

Es intentar responder a uno de los grandes interrogantes que siempre se ha hecho la

humanidad: De qu estn hechas las cosas?

Para entender qu es la materia tenemos que estudiar distancias y tiempos cada vez ms

pequeos

La cosmologa pretende explicar el origen, la evolucin y el destino final del

universo completo

Intenta responder a la pregunta: De dnde venimos y a dnde vamos?

Para avanzar en la comprensin de la cosmologa tenemos que estidiar

distancias y tiempos cada vez ms grandes

TAMAOS RELATIVOS

Las escalas de distancias de las que hablaremos estn en

los extremos conocidos y explorados por los seres

humanos

.

Para entender un poco ms las distancias enormemente grandes y enormemente pequeas de las que hablaremos:MODELO A ESCALA 1:

El sistema solar a escala 1/1 billn cabe en el saln, con el Sol siendo una bombilla de 100 w

ESTRELLA MS CERCANA: Otra bombilla a unos 40 km

GALAXIA: 100 mil millones de bombillas extendidas en un disco con dimetro igual al de la rbita de la Luna, y con un grosor igual al dimetro de la Tierra (100 mil millones de granos de arroz llenan un almacn del tamao de un catedral).

LMITE DEL UNIVERSO VISIBLE: 1/30 de la distancia a la estrella ms cercana

MODELO A ESCALA 2:

SOL: Una naranja en Madrid

ESTRELLA MS CERCANA: Otra naranja en Pars

GALAXIA: Cabra entre la Tierra y el Sol

MODELO A ESCALA 3:

El Sol y la estrella ms cercana estn a 2mm. Entonces, la galaxia sera del

tamao de un campo de ftbol.

MS MODELOS

Si aumentamos un baln de ftbol hasta hacerlo del tamao de la Tierra, un tomo tendra unos 15 mm de dimetro.

Si el tomo fuera como un estadio de ftbol, el ncleo sera como una pelota de ping-pong en el centro del campo

Las escalas no solo son enormes en el espacio, tambin en el tiempo. Si comprimimos la historia del cosmos en un ao:

Espacio y tiempo estn relacionados.

Mirar ms lejos significa tambin mirar antes en el tiempo: La luz viaja a velocidad finita. Vemos lso objetos tal y como eran cuando la luz sali de ellos.

Mirar a distancias ms cortas significa tambin usar energas mayores:Sabemos que el tomo es una nube de electrones alrededor del ncleo. Si queremos ver el ncleo necesitamos MeV. Si queremos romper el ncleo para ver qu tiene dentro, necesitamos GeV. Para continuar el viaje al espacio interior, si queremos ver dentro de los constituyentes del ncleo (p y n) necesitamos decenas o centenares de GeV. El ms poderoso microscopio ahora mismo es el tevatrn, un acelerador de partculas.

Viaje al espacio interior: La fsica de partculas

Actualmente se piensa que las partculas elementales que forman la materia son los

quarks y los leptones.

El Modelo EstndarLa teora fsica que explica la

composicin de la materia se llama Modelo Estndar.

Toda la materia est compuesta por 12 partculas elementales (y sus

antipartculas)

Es una teora cuntica de campos

Explica todos los experimentos que se han realizado hasta hoy.

Describe las fuerzas por el intercambio de partculas

mensajeras.

Toda la materia que vemos a nuestro alrededor est compuesta por las

partculas de la primera generacin

El Modelo Estndar: 4 fuerzas fundamentales

Cmo se miden las partculas?

Con enormes ACELERADORES y DETECTORES

El acelerador ms grande que est actualmente en funcionamiento es el Tevatrn, en Fermilab, cerca de Chicago. Tiene 2 detectores CDF y D0.

El prximo gran acelerador, que ser el ms grande y poderoso de la historia, es el LHC en el CERN, cerca de Ginebra. Tendr 2 detectores: CMS y ATLAS. (Y otros 2 especializados en ciertas medidas especficas, LHCb y ALICE)

El acelerador Tevatrn, en Fermilab, Chicago

El acelerador LHC, en el CERN, Ginebra

El tnel del LHC

CMo SE MiDEN LAS PARTCULAS?Los aceleradores de partculas son las mquinas ms grandes construdas por los seres humanos

Los detectores han sido llamados alguna vez las catedrales escondidas por ser de un tamao enorme y estar situados bajo tierra

LHC es el mayor acelerador de la historia con 26.7 km de circunferencia: 14% mayor que la lnea 6 del metro de Madrid. En el mismo tnel funcion de 1989 a 2000 el acelerador LEP

El Tevatrn, actualmente en funcionamiento, tiene una circunferencia de 6.28 km

CMo SE MiDEN LAS PARTCULAS?: LHC

Para construirlo se excavaron 1.4 millones de metros cbicos de suelo, durente los 6 aos

que dur la construccin

La longitud del tnel 26.7 km se conoce con una precisin

mejor que 1 cm

Est a una profundidad que vara entre 50 y 175 m

La velocidad de los protones que circulen en el tubo del

LHC ser c-10 km/h

En una carrera a la Luna, la luz ganara a un protn del LHC

por 3 m... Despus de recorrer 384500 km!!!

La energa total contenida en el haz del LHC ser de 362 MJ. Suficiente como para fundir 500 kg de cobre.

Si se pierde un haz, puede atravesar 30 m de cobre

slido

CMo SE MiDEN LAS PARTCULAS?: LHCEl volumen de informacin que

producir el LHC es equivalente a un CD por segundo!!

Esto significa una torre de unos 20 millones de CDs al ao, que tendra una altura de 20 km

Es el equivalente a la informacin que transmitiran

todos los habitantes del planeta hablando por telfono a la vez, y

cada uno por 20 telfonos.

Cmo se miden las partculas?: DETECTORES

Cada tipo de partcula deja una seal diferente en el detector

Con estas seales se puede reconstruir lo que ha ocurrido en

la colisin

Simulacin de la produccin de un agujero negro en el LHC

ProtnProtn

El detector ATLAS

El detector CMS

Las catedrales escondidasLos detectores son del tamao de un edificio de 4-7 pisos

Fsica de Partculas: Situacin actualEl Modelo Estndar es la teora que describe la materia en trminos de

12 partculas elementales (+ sus antipartculas) y 4 fuerzas fundamentales.

Es la teora ms exitosa y que ha pasado los tests experimentales ms exigentes de la historia

La materia est hecha de quarks y leptones. Si se encuentra algo que no est hecho de ellos, es fcil para nosotros decir que no es materia

ordinaria, sino algo ms...

Solo falta encontrar una ltima partcula: El bosn de Higgs, que se espera encontrar en el LHC.

Viaje al espacio exterior: La Cosmologa

Bases de la cosmologaLas galaxias se alejanEl corrimiento al rojo de las galaxias

La abundancia de elementos ligerosLa mayor parte es hidrgeno y helio

La radiacin de fondoEl residuo en radiacin de la creacin de la materia. Es el 1% del ruido que se ve en un televisor mal sintonizado

La distribucin de materia a gran escalaLas galaxias se distribuyen en cmulos y vacos

Las supernovas de tipo IaNos permiten conocer cmo es la expansin del espacio

Los movimientos de los objetos (rotacin de galaxias, cmulos...)Nos permiten conocer la distribucin de materia porque estn controlados por la gravedad

Cmo se observa todo esto?

Potentes telescopios tanto en

tierra como en el espacio

En muy diferentes longitudes de onda (no solamente en

luz visible)

Tambin se observan otras partculas que

vienen del espacio

EL MODELO ESTNDAR DE LA COSMOLOGA: EL BIG BANGIdea fundamental: El Universo empez con una gran explosin y desde entonces se est expandiendo y enfriando

Cmo es el universo actual depende de los detalles de la gran explosin, de la composicin del universo y de su contenido en energa y materia

Se puede reconstruir la historia completa del universo estudiando con mucha precisin cmo es hoy en da

EL MODELO ESTNDAR DE LA COSMOLOGA: EL BIG BANG

Los objetos se alejan porque el espacio se

expande desde la gran explosin, pero

los objetos no se hacen ms grandes

La expansin es consecuencia del big

bang, que fue una explosin del propio

espacio

La velocidad de la expansin depende del contenido en

energa del universo

LA RADIACIN DE FONDO DE MICROONDAS

El brillo residual de la aparicin de la materia tal y como la conocemos todava se puede observar hoy

Pero ya no es luz visible, porque se ha enfriado desde su origen hasta hoy

Estudiando con mucha precisin este brillo residual, se puede obtener mucha informacin acerca del universo

Procede de cuando el universo tena 380000 aos de edad. Es decir, de hace unos 13600 millones de aos!!

Si el universo fuera una persona de 80 aos, esta radiacin sera una foto de cuando tena 13 meses!!

El proyecto WMAP

Se lanz el 30 de junio de 2001

El 1 de octubre de 2001 lleg al punto lagrangiano 2 del sistema Tierra-Sol, a 1.5 millones de kilmetros de la Tierra

Todava est funcionando

Ha supuesto una revolucin en el conocimiento del cosmos por su enorme precisin

LA ESTRUCTURA A GRAN ESCALA DEL UNIVERSOLa materia no se distribuye de manera uniforme a distancias pequeas, solamente a distancias muy grandes

Estudiando cmo se distribuye se pueden entender muchos detalles sobre la evolucin del universo y su composicin

Actualmente se tiene una imagen bastante detallada de cmo se han formado las grandes estructuras que se observan en el universo

Se han catalogado ms de 100 millones de objetos celestes, y hay muchos ms proyectos previstos para catalogar ms objetos y ms lejanos

El objeto ms lejano que se conoce es una galaxia con z=8, lo que significa que la vemos como era hace 12979 millones de aos, y que actualmente est a 29838 millones de aos luz de distancia

LAS SUPERNOVAS TIPO 1A: CANDELAS ESTNDAR

Se utilizaron por primera vez en 1998

Por su enorme brillo, se pueden ver a distancias enormes

Esto permite obtener informacin sobre la composicin y la geometra

del universo

Todas brillan lo mismo porque son iguales. Se producen en sistemas

binarios, cuando una enana blanca absorbe material de su compaera

gigante hasta que explota

Por eso son candelas estndar: Se pueden utilizar como indicadores de distancia. Si brillan menos es porque estn ms lejos, puesto que sabemos

que en realidad son todas iguales

Han producido el descubrimiento ms importante de los ltimos aos

LOS MOVIMIENTOS DE LOS OBJETOS CELESTES

La nica fuerza que acta es la gravedad

Estudiando los movimientos de los objetos se puede medir la masa que tienen y entender el contenido de materia del

universo

LOS PARMETROS COSMOLGICOSUtilizando las observaciones anteriores, se puede describir el universo utilizando una serie de parmetros (densidades de energa, materia y radiacin, curvatura y energa del vaco)

Dependiendo de sus valores, la geometra del universo puede ser abierta, plana o cerrada

Al valor de la densidad que hace que la geometra sea plana se le llama densidad crtica

Adems, dependiendo de la proporcin de energa de cada tipo, el universo puede expandirse para siempre o colapsarse sobre s mismo en el futuro

LOS PARMETROS COSMOLGICOS

Combinando todas las observaciones que se han hecho sobre el universo y comparando con la teora podemos obtener los parmetros cosmolgicos

LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO

LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSOSORPRESA 1

Las medidas de la radiacin de fondo nos dicen que la densidad del universo es la densidad crtica

SORPRESA 2Las medidas de la estructura a gran

escala y el movimiento de los objetos nos dicen que la cantidad de materia

ordinaria no es suficiente para llegar a la densidad crtica...Y que la mayor parte de la materia del universo es

diferente a la que hay en la Tierra!!! MATERIA OSCURA

SORPRESA 3Las medidas de supernovas de tipo Ia encuentran la densidad que falta en

una misteriosa forma de...ENERGA OSCURA!!!

El descubrimiento ms importante de los ltimos aos en cosmologa y en

fsica en general

LA GRAN SORPRESA: EL LADO OSCURO DEL UNIVERSONo entendeis el poder del lado

oscuro (Darth Vader, Star Wars, episodio 3)

No os dejeis cegar por esas luces. El lado oscuro controla el universo: La materia oscura lo mantiene unido. La energa oscura determina su destino

final.

El 95% del contenido en energa del universo es desconocido. El Modelo

Estndar de las partculas elementales solamente describe el

5% restanteLa energa oscura es tan extraa que provoca una fuerza de gravedad

repulsiva, y esto hace que la expansin del universo no se frene, sino que se acelere. El universo tiene geometra plana, pero se expandir para siempre, y

cada vez ms rpido

El cosmos es grande, oscuro y vaco

Por muy extrao que parezca,

todas las observaciones

concuerdan con el cosmos

oscuro

Desvelar la naturaleza del

lado oscuro es el mayor reto al

que se enfrenta la fsica

La materia oscura y la energa oscura NO ESTN en el Modelo Estndar de las partculas elementales: Es una teora INCOMPLETA

Los problemas de la cosmologa y de la fsica de partculas son

comunes

Qu es la materia oscura? No se sabe nada, hay algunas

propuestas que vienen de las teoras que son extensiones del

Modelo Estndar

Qu es la energa oscura? Se sabe menos aun. No hay ningn

candidato conocido salvo la energa del vaco, que est en

profundo desacuerdo con el Modelo Estndar

El principal problema para el futuro es descubrir la naturaleza del lado oscuro del universo

Problemas comunes a fsica de partculas y cosmologa

Por qu?

COSMOLOGA (relatividad general) -> OBJETOS MASIVOSFSICA DE PARTCULAS (Modelo Estndar) -> OBJETOS

PEQUEOS

En situaciones habituales nunca hay necesidad de utilizar las dos teoras juntas. Los objetos o bien son masivos o bien son

pequeos. Nunca ambas cosas a la vez.

PERO

El BIG BANG (el universo en sus primeros instantes) fue tanto masivo (masa completa del universo) como pequeo (puntual)

Ambas disciplinas estn directamente relacionadas

Problemas comunes a fsica de partculas y cosmologa

El exitoso Modelo Estndar solamente describe un 5% del universo

No estamos hechos de la misma materia que los cielos

Volvemos a la edad media?

El 95% restante del universo es absolutamente desconocido

Para ir ms all en la descripcin del cosmos se necesita extender la teora

Posibles extensiones (conocidas)Nuevas fuerzas

fundamentales hasta ahora desconocidas

Nuevas partculas elementales

Dimensiones ocultas del espacio-tiempo

Cmo estudiar estas posibilidades

Colisionadores (presentes y futuros): LHC, Tevatrn...

Fsica de neutrinos: Double-Chooz, NEXT...

Experimentos de fsica de astropartculas: AMS, CTA, MAGIC, ArDM...

Proyectos de cosmologa: DES, PAU...

Demasiado ambicioso?

"La raza humana siempre ha querido mirar ms all del horizonte, para ver lo que hay all... A cada lado nuestro, el Universo tiene estructura en escalas hasta del orden de miles de billones

de billones de billones de veces ms grandes o ms pequeas que la nuestra. Porque este rango no es completamente infinito, hay esperanza de que un da podamos entender completamente

las estructuras del Universo, desde las ms pequeas hasta las ms grandes que podamos conocer...La nica cosa que parece ser ilimitada es el poder de la razn."

Stephen Hawking

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